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Schaltregler sind üblicherweise mit einem ersten Speicherkondensator, dessen Anschlüsse Eingangsanschlüsse des Schaltreglers bilden, gebildet. Sie weisen ferner einen ersten Stromkreis aus zumindest dem ersten Speicherkondensator, einer Speicherdrossel, einem ersten Schaltelement und einem ersten Strommesswiderstand, sowie einen zweiten Stromkreis aus zumindest der Speicherdrossel, einem zweiten Speicherkondensator und einem die Entladung des zweiten Speicherkondensators über die Speicherdrossel oder das erste Schaltelement verhindernden Schaltelement auf, wobei die Anschlüsse des zweiten Speicherkondensators Ausgangsanschlüsse des Schaltreglers bilden. Schaltregler weisen ferner eine Reglerschaltung auf, die zumeist eingerichtet ist, abhängig von der Spannung an den Ausgangsanschlüssen des Schaltreglers und dem Strom durch die Speicherdrossel die Spannung an den Ausgangsanschlüssen auf einen vorgegebenen Wert zu regeln.
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Derartige Schaltregler können einerseits als sekundär getaktete Schaltregler in Form von Aufwärts-, Abwärts- und invertierenden Wandlern und andererseits als primär getaktete Schaltregler realisiert sein, wie sie in „Halbleiterschaltungstechnik" von U. Tietze, Ch. Schenk, 7. Auflage, 1985, Seiten 539–552 beschrieben sind. Diesen Schaltreglern ist gemeinsam, dass beim Schließen des ersten Schaltelements im ersten Speicherkondensator gespeicherte elektrische Energie durch einen Stromfluss in der Speicherdrossel in Form magnetischer Energie gespeichert wird, um beim Öffnen des Schaltelements zum zweiten Speicherkondensator übertragen zu werden, indem die magnetische Energie in der Speicherdrossel abgebaut wird.
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Ein Schaltregler mit einer Aufwärtswandlertopologie ist in der
DE 10 2007 016 630 A1 beschrieben und in der dortigen
4 detailliert dargestellt. Der erste Stromkreis des dortigen Aufwärtswandlers ist dabei mit dem ersten Speicherkondensator C1, der Speicherdrossel L1, dem ersten Schaltelement TR1 und dem Strommesswiderstand RSENS gebildet. Der zweite Stromkreis ist mit dem ersten Speicherkondensator C1, der Speicherdrossel L1, der Diode D1 und dem zweiten Speicherelement C2 gebildet. Die Anschlüsse des ersten Speicherelements C1 bilden die Eingangsanschlüsse des Schaltreglers und sind mit einer Batterie BAT, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, verbunden, während die Anschlüsse des zweiten Speicherelements C2 die Ausgangsanschlüsse des Schaltreglers bilden.
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Wenn das erste Schaltelement TR1 geschlossen wird, fließt ein Strom vom ersten Speicherkondensator C1 durch die Drosselspule L1 über das erste Schaltelement TR1 und den Strommesswiderstand RSENS. Aufgrund der Induktivität der Drosselspule L1 steigt der Strom etwa linear an und wird über den ersten Strommesswiderstand RSENS in eine proportionale Spannung transformiert. Durch den fließenden Strom wird magnetische Energie in der Drosselspule L1 gespeichert. Wenn das erste Schaltelement TR1 wieder geöffnet wird, baut sich die in der Drosselspule L1 gespeicherte magnetische Energie durch einen Stromfluss durch die Diode D1 in das zweite Speicherelement C2 ab und lädt folglich den zweiten Speicherkondensator C1 auf eine Spannung U_A auf.
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Die Spannung U_A am zweiten Speicherkondensator C2 ist bei einem Aufwärtswandler, wie er in der 4 dargestellt ist, üblicherweise größer als die Eingangsspannung U_V am ersten Speicherkondensator C1 und dient zur Versorgung von an den Schaltregler-Ausgangsanschlüssen angeschlossenen Lasten. Dabei soll die Spannung U_A am zweiten Speicherkondensator C2 möglichst konstant gehalten werden.
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Dies erfolgt über eine Reglerschaltung CTLR, der zu diesem Zweck sowohl die Spannung U_A am zweiten Speicherkondensator C2 als auch die aufgrund des Stromflusses durch die Drosselspule L1, das erste Schaltelement TR1 und den ersten Strommesswiderstand RSENS am ersten Strommesswiderstand RSENS abfallende Spannung zugeführt wird. Die Ausgangsspannung U_A wird dabei mit einer Referenz- bzw. Sollspannung Ref_V verglichen und die Differenz über einen Regelverstärker als Schwellwert für die den Strom durch den Strommesswiderstand RSENS repräsentierende Spannung verwendet.
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Die Abweichung dieser beiden Spannungen steuert einen Pulsweitenmodulator, der das erste Schaltelement TR1 ansteuert. Falls die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers U_A aufgrund einer großen Last zu stark abfällt, wird infolgedessen das erste Schaltelement TR1 eine längere Zeitdauer eingeschaltet, sodass sich der zweite Speicherkondensator C2 wieder aufladen kann.
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Allerdings würde die Einschaltdauer des ersten Schaltelements TR1 bei einer sehr geringen Eingangsspannung U_V des Aufwärtswandlers der
4 der
DE 10 2007 016 630 A1 und einer großen Last, das heißt einer starken Entladung des zweiten Speicherkondensators C2, sehr lange werden und aufgrund des dann durch die Drosselspule L1 und das erste Schaltelement TR1 fließenden hohen Stroms eine starke Erwärmung erfolgen.
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Daher ist in der
4 der
DE 10 2007 016 630 A1 eine Strombegrenzungsschaltung vorgesehen, die einen zu starken Anstieg des Stromes verhindert, indem die Ausgangsspannung des Regelverstärkers auf einen bestimmten Wert begrenzt wird.
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Bei dem häufig als Magnetmaterial für Drosselspulen verwendeten Eisenferrit fällt die Induktivität ab einem durch die vorgegebene Bauform der Spule bestimmten Wert des die Drosselspule durchfließenden Stromes stark ab. Eine Erhöhung des Stromwertes und damit der möglichen Ausgangsleistung führt somit kaum zu einer Erhöhung der gespeicherten Energie sondern lässt lediglich deren ohmsche Verluste ansteigen. Es ist somit nicht sinnvoll, bei Verwendung solcher Magnetmaterialien die Ausgangsleistung auch nur kurzfristig durch einen höheren Strom zu steigern.
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Allerdings gibt es neue Magnetmaterialien mit geändertem Sättigungsverhalten, deren Induktivität abhängig vom Strom durch eine Drosselspule mit einem solchen Magnetmaterial nur langsam sinkt und bis 150° C kaum temperaturabhängig ist. Mit diesen Magnetmaterialien ist eine kurzzeitige Erhöhung des Stromes durch die Drosselspule zur Steigerung der Ausgangsleistung sinnvoll.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Schaltregler und ein Verfahren zum Betreiben des Schaltreglers anzugeben, bei dem ohne einen erheblichen Eingriff in dessen Schaltungstopologie eine zumindest kurzfristige Erhöhung der Ausgangsleistung mit geringem Aufwand möglich ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Schaltregler gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers gemäß Anspruch 4. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Schaltregler mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen weist demnach einen ersten Speicherkondensator auf, dessen Anschlüsse mit den Eingangsanschlüssen des Schaltreglers verbunden sind. Er weist desweiteren einen ersten Stromkreis aus zumindest dem ersten Speicherkondensator, einer Speicherdrossel, einem ersten Schaltelement und einem ersten Strommesswiderstand, sowie einen Stromkreis aus zumindest der Speicherdrossel, einen zweiten Speicherkondensator und einem die Entladung des zweiten Speicherkondensators über die Speicherdrossel oder das Schaltelement verhindernden Schaltelement auf. Dabei bilden die Anschlüsse des zweiten Speicherkondensators die Ausgangsanschlüsse des Schaltreglers. Der Schaltregler weist außerdem eine Reglerschaltung auf, die eingerichtet ist, abhängig von der Spannung an den Ausgangsanschlüssen des Schaltreglers und dem Strom durch die Drosselspule die Spannung an den Ausgangsanschlüssen auf einem vorgegebene Wert zu regeln. Zur Beeinflussung der Ausgangsleistung ist in erfindungsgemäßer Weise eine Serienschaltung aus einem zweiten Schaltelement und einem zweiten Strommesswiderstand dem ersten Strommesswiderstand parallel geschaltet.
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Wenn das zweite Schaltelement geschlossen wird, ist dem ersten Strommesswiderstand der zweite Strommesswiderstand parallel geschaltet, sodass der Gesamtwiderstand geringer wird und auf diese Weise bei gleichem Strom an dem Gesamtwiderstand eine geringere Spannung abfällt, als sie nur am ersten Strommesswiderstand abfallen würde. Auf diese Weise wird der Reglerschaltung ein geringerer Strom „vorgegaukelt“ als tatsächlich fließt und daher zum Nachladen des zweiten Speicherkondensators eine größere Pulsweite des Ansteuersignals für das erste Schaltelement vorgegeben, sodass eine größere Ausgangsleistung erzielt werden kann. Damit lässt sich auch eine Strombegrenzung der Ausgangsspannung des Regelverstärkers umgehen.
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Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung bei einem Schaltregler anwenden, bei dem der zweite Stromkreis außerdem den ersten Speicherkondensator aufweist, sodass der Schaltregler eine Aufwärtswandlerschaltungstopologie, wie sie beispielsweise in der
DE 10 2007 016 630 A1 gezeigt ist, hat.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Schaltreglers ist dem ersten Schaltelement ein zweiter Kondensator parallel geschaltet, wodurch der Schaltregler im quasi resonanten Betrieb verwendet werden kann, da beim Abschalten des ersten Schaltelements dieser Kondensator den Strom übernimmt und somit das erste Schaltelement verlustarm geschaltet werden kann.
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Der erfindungsgemäße Schaltregler kann in vorteilhafter Weise betrieben werden, um eine größere Ausgangsleistung des Schaltreglers durch Schließen des zweiten Schaltelements zu ermöglichen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das zweite Schaltelement abhängig von der Temperatur der Speicherdrossel und/oder der Temperatur eines Schaltreglergehäuses schließend betätigt wird.
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Da durch die Erhöhung der Ausgangsleistung der Schaltregler in einem Modus betrieben wird, für den er möglicherweise nicht ausgelegt ist, kann ein Abruf einer höheren Ausgangsleistung abhängig von der thermischen Belastung des Schaltreglers gewählt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mithilfe einer Figur näher erläutert. Dabei zeigt:
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1 einen erfindungsgemäßen Schaltregler in der Ausführung als Aufwärtswandler.
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Bei dem Schaltregler der 1 sind die Eingangsanschlüsse des Schaltreglers mit den Anschlüssen eines ersten Speicherkondensators C1 verbunden. Sie sind außerdem mit den Anschlüssen einer 12-Volt Batterie BAT verbunden, aus der der Schaltregler gespeist wird. Es ist selbstverständlich möglich, auch eine andere Quelle wie beispielsweise einen weiteren DCDC-Wandler oder eine Wechselspannungsquelle mit Gleichrichter mit den Eingangsanschlüssen des erfindungsgemäßen Schaltreglers zu verbinden.
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Dem ersten Speicherkondensator C1 ist die Serienschaltung aus einer Speicherdrossel L1, einem ersten Schaltelement TR1 sowie einem Strommesswiderstand R1, R2 parallel geschaltet. Der Strommesswiderstand ist dabei aus einem ersten Strommesswiderstand R1 sowie einem diesem über ein zweites Schaltelement S1 parallel geschalteten zweiten Strommesswiderstand R2 gebildet. Der erste Speicherkondensator C1, die Drosselspule L1, das erste Schaltelement TR1 sowie der Strommesswiderstand R1, R2 bilden dabei einen ersten Stromkreis.
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Der Serienschaltung aus dem ersten Schaltelement TR1 sowie dem Strommesswiderstand R1, R2 ist die Serienschaltung aus einer Diode D1 sowie einem zweiten Speicherkondensator C2 parallel geschaltet. Die Diode D1 ist dabei derart gepolt, dass sich der zweite Speicherkondensator C2 nicht über die Speicherdrossel L1 bzw. das erste Schaltelement TR1 entladen kann. Die Diode D1 könnte auch mit einem anderen Schaltelement, das diese Funktion erfüllt, realisiert werden, beispielsweise könnte auch ein Transistor diese Funktion erfüllen.
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Die Anschlüsse des zweiten Speicherkondensators C2 bilden die Ausgangsanschlüsse des Schaltreglers, an denen die Ausgangsspannung U_A anliegt. Entsprechend liegt am ersten Speicherkondensator C1 die Eingangsspannungen U_V an. Dem ersten Schaltelement TR1 ist ein zweiter Kondensator C3 parallel geschaltet, wodurch ein quasi resonanter Betrieb des Schaltreglers, der ansonsten eine Aufwärtswandlertopologie aufweist, möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Verwendung eines Strommmesswiderstandes R1, R2, der aus einem ersten Strommesswiderstand R1 und einem diesem im Bedarfsfall über ein zweites Schaltelement S1 parallel zu schaltenden zweiten Strommesswiderstand R2 realisiert ist, kann neben der in der 1 gezeigten Aufwärtswandlertopologie auch bei Abwärtswandlern, invertierenden Wandlern oder primär getakteten Schaltreglern verwendet werden.
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Der Schaltregler der 1 weist außerdem eine Reglerschaltung RS, der einerseits die Ausgangsspannung des Schaltreglers U_A und andererseits die Spannung über den Strommesswiderstand R1, R2, die ein Maß für den Strom durch die Drosselspule L1 und das erste Schaltelement TR1 ist, zugeführt werden, um auf diese Weise durch eine pulsweitenmodulierte Ansteuerung des ersten Schaltelements TR1 die Ausgangsspannung U_A des Schaltreglers auf einen vorgegebenen Wert regeln zu können.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung des Strommesswiderstands R1, R2 gelingt dies auch, wenn aufgrund einer großen Belastung des zweiten Speicherkondensators C2 dieser stark entladen wird und eine entsprechend schnelle Nachladung beispielsweise aufgrund einer Begrenzung des Maximalstromes durch die Drosselspule L1 in der Reglerschaltung RS nicht erfolgen kann.
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Durch die erfindungsgemäße Schaltungstopologie ist es nun möglich, durch Schließen des zweiten Schaltelements S2 den Strommesswiderstand R1, R2 zu verringern, sodass der Reglerschaltung RS ein geringerer Strom durch die Drosselspule L1 vorgetäuscht wird und damit eine längere Einschaltzeit des ersten Schaltelements TR1 durch die Reglerschaltung RS erfolgt, was zu einem höheren Stromfluss führt.
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In vorteilhafter Weise erfolgt dies abhängig von der Temperatur der Drosselspule L1 und/oder des Gehäuses, in dem der Schaltregler angeordnet ist, sodass keine zu hohe Temperaturbelastung des Schaltreglers auftreten kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007016630 A1 [0003, 0008, 0009, 0016]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Halbleiterschaltungstechnik“ von U. Tietze, Ch. Schenk, 7. Auflage, 1985, Seiten 539–552 [0002]
